电机学_05异步电机

1、异步电机感应电机主要用作电动机，应用最广泛的一种感应电机主要用作电动机，应用最广泛的一种电动机，厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，电动机，厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。农业生产，日常生活都离不开异步电动机。交流电机可分为感应电机和同步电机两大类。 类型类型：异步电机主要分为：鼠笼式鼠笼式异步电动机，绕绕线式线式异步电动机和各种控制用电动机控制用电动机三大类。感应电机分类按定子绕组供电电源相数按定子绕组供电电源相数按转子绕组的结构按转子绕组的结构单相感应电动机单相感应电动机三相感应电动机三相感应电动机两相感应电动机两相感应电动机异步电机异步电机鼠笼式异步电动

2、机鼠笼式异步电动机绕线式异步电动机绕线式异步电动机结构简单，坚固，成结构简单，坚固，成本低，运行性能不如本低，运行性能不如绕线式绕线式通过外串电阻改善电机通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能的起动，调速等性能异步电机的结构三相感应电动机的结构定子铁心定子冲片定子线圈铁心和机座鼠笼转子鼠笼转子照片绕线转子照片感应电机铭牌铭牌铭牌：型号，额定值，绕组联结方式，生产厂家等型号，额定值，绕组联结方式，生产厂家等 型号：型号：Y132S-4,Y-异步电动机；异步电动机；132-机座中心高度机座中心高度132mm，S-短铁心；短铁心；4-极数。极数。 额定值额定值: 正常运行时的主要数据指标。正常运行时

3、的主要数据指标。 绕组联结方式：绕组联结方式：接法或者接法或者Y接法。接法。 感应电机额定值 额定电压额定电压UN： (V)，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压； 额定电流额定电流IN： (A), 额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流；额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流； 额定功率额定功率PN： (kW), 额定运行时，电动机的输出功率；额定运行时，电动机的输出功率； 额定转速额定转速n： (r/min), 额定运行时，电动机的转子转速；额定运行时，电动机的转子转速； 额定频率额定频率fN： (Hz)，规定的电源频率，规定的电源频率(50Hz

4、)； 额定效率、额定功率因数额定效率、额定功率因数等等cos3cos3NNNNNIUIUP感应电机的基本工作原理三相对称绕组建立的磁场三相对称绕组建立的磁场感应电机的基本工作原理感应电机的基本工作原理 转子绕组的导体处于旋转磁场中转子绕组的导体处于旋转磁场中 转子导体切割磁力线，并产生感转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向。应电势，判断感应电势方向。 电磁力作用在转子上将产生电电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。磁转矩，并驱动转子旋转。 转子导体通过端环自成闭路，并转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。通过感应电流。 感应电流与旋转磁场相互作用产感应电流与旋转

5、磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。生电磁力，判断电磁力的方向。转差率 切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。条件。 转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁力线。割磁力线。 旋转磁场的转速用旋转磁场的转速用n1表示，称为同步转速；转子的表示，称为同步转速；转子的实际转速用实际转速用n表示，转差表示，转差n=n1-n。 转差率转差率是异步电动机的一个基本变量，在分析异步是异步电动机的一个基本变量，在分析异步电动机运行时有着重要的地位。电动机运行时有着重要的地位。 11nnns转差率

6、：转差率： 起动瞬间，起动瞬间，n = 0, s=1 理想空载运行时：理想空载运行时：n=n1,s=0 作为电动机运行时，作为电动机运行时，s 的范围在的范围在0-1之间。之间。 转差率一般很小，如转差率一般很小，如 s = 0.03。 制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即n1与与n反向，反向，s1 发电运行时，发电运行时，n 高于同步转速高于同步转速n1, s0. S值与电机运行状态的关系5.1 异步电机的基本原理基波旋转磁场产生的经过气隙，同时匝链定子和转子绕组基波旋转磁场产生的经过气隙，同时匝链定子和转子绕组的磁通叫的磁通叫主磁通主磁通。

7、转子绕组切割主磁通并在转子中产生感应电流；转子绕组切割主磁通并在转子中产生感应电流； 感应的转子电流在磁场中受到电磁力的作用而形感应的转子电流在磁场中受到电磁力的作用而形成驱动转矩，使电机旋转。成驱动转矩，使电机旋转。谐波谐波磁动磁动势建立的谐波磁场也匝链定转子，势建立的谐波磁场也匝链定转子， 但是但是对转子的作用不会产生有效的转矩，对转子的作用不会产生有效的转矩， 定子绕组产生的感应电动势的频率与基波频率一致，定子绕组产生的感应电动势的频率与基波频率一致， 影响定子回路的电压平衡，影响定子回路的电压平衡， 作为漏磁场处理。作为漏磁场处理。116060fnpnpf主磁通 漏磁通槽漏磁通：由槽的

8、一壁横越至槽漏磁通：由槽的一壁横越至槽的另一壁的漏磁通。槽的另一壁的漏磁通。端部漏磁通：匝联绕组端部的端部漏磁通：匝联绕组端部的漏磁通。漏磁通。谐波漏磁通：谐波磁势会产生谐波漏磁通：谐波磁势会产生谐波磁通。谐波磁通。定子绕组的定子绕组的漏磁通漏磁通电机正常运转时，谐波磁通不会电机正常运转时，谐波磁通不会产生有用的转矩产生有用的转矩。 漏电抗：漏磁通在定子绕组中会感应漏磁电势，该电势用漏电抗：漏磁通在定子绕组中会感应漏磁电势，该电势用漏抗压降表示漏抗压降表示:111XI jE1X称为漏电抗。 转子绕组通过电流时，也会有漏磁通。对应的漏抗电势转子绕组通过电流时，也会有漏磁通。对应的漏抗电势222X

9、I jE 漏电抗异步电动机电势平衡方程式1、定子绕组电势平衡方程式定子绕组电势平衡方程式定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压降）包括：主电势、漏磁电势和电阻压降。降）包括：主电势、漏磁电势和电阻压降。 主电势（感应电势）：主电势（感应电势）： 定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。生感应电势。 定子绕组感应电势的有效值：定子绕组感应电势的有效值： 1111144.4wkN

10、fE漏磁电势（漏抗压降）漏磁电势（漏抗压降） 定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。 漏抗压降：漏抗压降： 电阻压降：电阻压降： 定子电势平衡方程式：定子电势平衡方程式： 111XI jE11IR11111111)(IZEIjXREU转子绕组的感应电势转子绕组的感应电势 转子绕组切割主磁通的转速转子绕组切割主磁通的转速 主磁通以同步速度旋转主磁通以同步速度旋转 转子以转速转子以转速n旋转旋转 转子绕组导体切割主磁通的相对转速为转子绕组导体切割主磁通的相对转速为(n1-n)=sn1 转子绕组中感应电势的频率转子绕组中感应电势的频率： 公式：公式： 结论：由于结论：由于s

11、很小，转子感应电势频率很低。很小，转子感应电势频率很低。0.5-3Hz 1111126060)(sfpnnnnnnpf2、转子绕组的电势及电流 感应电势与转差率正比。感应电势与转差率正比。 对绕线式异步电机，转子绕组每相串联匝数，相数计算方法同对绕线式异步电机，转子绕组每相串联匝数，相数计算方法同定子绕组的计算。定子绕组的计算。 对笼形转子来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，对笼形转子来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，每个导条即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串每个导条即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串联匝数为半匝即联匝数为半匝即1/2。 注意转子不动时

12、（注意转子不动时（s=1)时的感应电势与转子旋转时感应电势的时的感应电势与转子旋转时感应电势的关系。关系。 22121212121222)44.4( 44.444.4sEkNfskNsfkNfEwwws转子感应电势的有效值转子绕组的阻抗由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。样会产生漏磁电抗压降。 漏抗公式：漏抗公式： 漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。 考虑到转子绕组的相电阻后：考虑到转子绕组的相电阻后： 22122222sXLsfLfXs222jsXRZs转子绕组中的电流22

13、2222222222)( ,sXRsEIjsXREZEIsss 转子绕组短路，转子电压为转子绕组短路，转子电压为0，感应电势全部加在转，感应电势全部加在转子阻抗上子阻抗上, 转子回路方程：转子回路方程： 转子电流：转子电流： ssZI jE2223、磁势平衡方程式激磁电流激磁电流 Im 和激磁磁势和激磁磁势Fm 产生主磁通产生主磁通 所需要的电流称为激磁电流所需要的电流称为激磁电流 Im ； 对应的磁势称为激磁磁势：对应的磁势称为激磁磁势： pkINmFwmm1119 .02电势方程式：电势方程式： 电源电压不变，阻抗压降很小，电势近似不变；电源电压不变，阻抗压降很小，电势近似不变； 由公式：

14、由公式： 1 近似不变；近似不变； 1111111)(IZEjXREU1111144.4wkNfE结论：激磁磁势和激磁电流几乎不变理想空载运行时，激磁磁势全部由定子磁势理想空载运行时，激磁磁势全部由定子磁势F1提供，提供，即：即：FmF1负载运行时，转子绕组中有电流负载运行时，转子绕组中有电流I2流过，产生一个同步旋转流过，产生一个同步旋转磁势磁势F2，为了保持，为了保持Fm不变，定子磁势不变，定子磁势F1除了提供激磁磁势除了提供激磁磁势Fm 外，还必须抵消转子磁势外，还必须抵消转子磁势F2的影响，即：的影响，即：mmFFFFFF)(211异步电动机的磁势平衡方程： mwmwwmIpkNmFI

15、pkNmFIpkNmFFFF1112222211111219 . 029 . 029 . 02; 结论：理想空载运行时，转子电流为结论：理想空载运行时，转子电流为0，定子电流等于激磁，定子电流等于激磁电流；负载时，定子电流随负载增大而增大。电流；负载时，定子电流随负载增大而增大。感应电动机的等效电路等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在异步电动机等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在异步电动机中，作等效电路遇到的两大障碍是：中，作等效电路遇到的两大障碍是：(1)定转子电路的频率不相同；定转子电路的频率不相同；(2)定转子边的相数，匝数，绕组系数等不相等。定转子边的相数，匝数，绕组系数等不相

16、等。一、频率折算 转差率为转差率为s的异步电动机转子电路频率：的异步电动机转子电路频率：1111126060)(sfpnnnnnnpf转子静止时s=1；则转子频率等于定子频率。频率折算既是用静止的转子代替旋转的转子频率折算既是用静止的转子代替旋转的转子。 频率折算后，希望磁势平衡不变，即转子电流不变。频率折算后，希望磁势平衡不变，即转子电流不变。2222222222222)()()(XsREsXRsEZEIss转子不动，转子电阻为转子不动，转子电阻为 的异步电动机的转的异步电动机的转子电流，和转子以转差率子电流，和转子以转差率s旋转的，转子电阻为旋转的，转子电阻为R2的异步电动的异步电动机转子

17、电流相等。机转子电流相等。2221RRsssR 推论：推论：频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻，频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻， 即可以把原来旋转的转子看成静止的转子。即可以把原来旋转的转子看成静止的转子。21Rss等效图 不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。平衡依然维持。 静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一

18、大块机械功率。一大块机械功率。 静止的转子中多了一个附加电阻，而电流没有变，所以多静止的转子中多了一个附加电阻，而电流没有变，所以多了一个电阻功率。了一个电阻功率。 附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。 对频率折算的讨论二、绕组折算用绕组（用绕组（m1、N1、kw1）等效替代绕组（）等效替代绕组（ m2、N2、kw2 ）代替的原则是：代替的原则是： 磁势平衡不变磁势平衡不变 功率平衡不变功率平衡不变 电流折算：根据磁势不变：221112222211122221 9 . 029 . 02IkIkNmkNmIpIkNmpIkNmiwwww电势

19、、阻抗折算 电势折算：磁通应不变。22221122121211112 44. 4 44. 4EkEkNkNEkNfEkNfEewwww 阻抗折算：功率不变。22222211112222212222212221RkkRkNmkNmmmRIImmRRImRImeiww电抗和漏阻抗可同样折算。异步电动机方程式22222222XjsRIEkkXjkskRIkkEeieiie经过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式折算后转子电路方程式：mmmmmmZIjXRIEIIIXjsRIEEjXRIEU)(;);(1212221211111T形等效电路简化等效电路四、相量图 异步电动机的相量图类异步电动机的相量

20、图类似于变压器相量图似于变压器相量图,从转子电从转子电路方程出发可以一步一步作路方程出发可以一步一步作出异步电机相量图。出异步电机相量图。2E22IXj2I22IsR1mI2I1I1E11IjX1U11IR异步电动机的功率、转矩和运行性能一、功率平衡方程式一、功率平衡方程式功率变换和传递是电动功率变换和传递是电动机的主要功用机的主要功用,结合等效结合等效电路分析异步电动机功电路分析异步电动机功率流向。率流向。异步电动机从电源获取电功率，即输入功率：异步电动机从电源获取电功率，即输入功率：11111cosIUmP 此一功率首先通过定子绕组，产生定子铜耗：此一功率首先通过定子绕组，产生定子铜耗：1

21、2111RImpcu 此功率产生的旋转磁场掠过定转子铁此功率产生的旋转磁场掠过定转子铁心，产生铁耗。心，产生铁耗。定子铁心与旋转磁场相对转速为定子铁心与旋转磁场相对转速为n n1 1较大，转子铁心与旋转较大，转子铁心与旋转磁场相对转速为磁场相对转速为sn1sn1较小，故铁耗主要为定子铁耗：较小，故铁耗主要为定子铁耗：mmFeRImp21 剩余功率将通过气隙磁场感应到转子绕组，此一功率称为剩余功率将通过气隙磁场感应到转子绕组，此一功率称为电磁功率电磁功率。222111cosIEmppPPFecuem功率传递（1） 电磁功率首先提供转子铜耗；电磁功率首先提供转子铜耗；22212IRmpcu 剩余的

22、电磁功率全部转化为机械功率；剩余的电磁功率全部转化为机械功率；22211IRssmP 机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗)%35 . 0(NadPpp 其余功率为输出的机械功率其余功率为输出的机械功率adppPP2 异步电动机的功率平衡方程式：异步电动机的功率平衡方程式：pPpppppPPadcuFecu12112功率传递（2）流程图几个重要的关系122211 ;nns)(PP s;Pp IsRmPememcuremP1PemP2pcu_spFepcurp P 转矩平衡方程转矩由机械功率产生转矩由机械功率产生转矩平衡方程为转矩平衡方程为adppPP2022

23、)(MMMppPPadPPMemem1三、电磁转矩公式：三、电磁转矩公式：112221122212221602 )1(602)1(602)1(emPnSRImSnSSRImnSSRImPT机械特性的物理表达式机械特性的物理表达式22122111111coscos244.4ICIfkNpfmTMw反映了感应电动机的电磁转矩与气隙每极磁通和转子电反映了感应电动机的电磁转矩与气隙每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比的物理本质。流有功分量的乘积成正比的物理本质。电磁转矩的物理表达式转矩转差率关系转矩转差率关系22222222211cosRXSXSRSR22111111cos244. 4IfkNpfm

24、Tw22122112)(XXSRRUI根据简化电路得到根据简化电路得到的转子电流的转子电流转子侧功率因数转子侧功率因数异步电动机的机械特性2212212211121XXSRRSRpUmfT电磁转矩的参数表达式：电磁转矩的参数表达式：电磁转矩与转速之间的关系曲线，是电动机的机械特性电磁转矩与转速之间的关系曲线，是电动机的机械特性。 几个关键点：几个关键点： 起动点起动点 最大转矩点最大转矩点 额定工作点额定工作点 电动，发电，制动三种电动，发电，制动三种运行状态运行状态 电磁转矩的参数表达式TS机械特性的特殊点固有机械特性的特殊点：固有机械特性的特殊点：1. 起动点起动点A：该点：该点S1；2.

25、 临界点临界点B：该点：该点SSm；3. 额定点额定点C：该点：该点SSn；4. 同步点同步点D：该点：该点S0， 又称理想空载点；又称理想空载点；S=0S=1T0SnTnSmTm二、异步电动机的稳定运行区稳定运行：指机组在受到暂时外界扰动之后，稳定运行：指机组在受到暂时外界扰动之后， 能自行恢复能自行恢复到原来稳定状态。到原来稳定状态。 为了使机组能稳定运行，为了使机组能稳定运行， 必须要求电动机的机械特性与必须要求电动机的机械特性与负载的机械特性有正确的匹配。负载的机械特性有正确的匹配。 TS1AB对于恒转矩负载：对于恒转矩负载： 0dndMem0dndMemdndMdndMcem是稳定的

26、；是稳定的； 是不稳定的；是不稳定的； 稳定的条件：稳定的条件：异步电动机的异步电动机的T-s曲线上有一个最高点；曲线上有一个最高点； 最大转矩可以根据高等数学中求极值的方法求得。最大转矩可以根据高等数学中求极值的方法求得。 221212)(0XXRRSdSdTm令：2212112111max21XXRRUmT代入转矩公式，得代入转矩公式，得过载能力：最大转矩与额定转矩之比：过载能力：最大转矩与额定转矩之比：NmTTmax（1.62.2)最大转矩，过载能力最大转矩与电网电压的平方成正比；最大转矩与电网电压的平方成正比； 最大转矩近似与漏电抗成反比；最大转矩近似与漏电抗成反比； 最大转矩的位置可

27、以由转子电阻的大小最大转矩的位置可以由转子电阻的大小来调整；来调整； 最大转矩的值与转子电阻值没有关系；最大转矩的值与转子电阻值没有关系；异步电动机调节转子电阻时机械特性的异步电动机调节转子电阻时机械特性的变化。变化。关于最大转矩的几个重要结论2212112111max21XXRRUmT起动电流指起动瞬间电机从电网吸收的电流；从等效起动电流指起动瞬间电机从电网吸收的电流；从等效电路求出起动电流：电路求出起动电流：22122112)()(XXRRUIIst起动转矩，即起动瞬间电动机的电磁转矩起动转矩，即起动瞬间电动机的电磁转矩22122122111)()(1XXRRRUmTst若令若令Sm =

28、1221212)(XXRR起动转矩等于最大转矩。起动转矩等于最大转矩。对于绕线式转子可通过外串电阻达到。对于绕线式转子可通过外串电阻达到。起动电流、起动转矩起动转矩的几个重要结论异步电动机的起动转矩异步电动机的起动转矩与电压的平方成正比与电压的平方成正比； 总漏抗越大，起动转矩越小总漏抗越大，起动转矩越小； 绕线式异步电动机可以在绕线式异步电动机可以在转子回路串入转子回路串入适当的适当的电阻可以增大起动转矩电阻可以增大起动转矩； 当当 时，时， 起动转矩最大。起动转矩最大。221212)(XXRR22122122111)()(1XXRRRUmTst 转矩的实用计算公式通过铭牌数据求取电动机转矩

29、的方法。通过铭牌数据求取电动机转矩的方法。SSSSTTmm2max12mmNmSSmSRXXRXXSRRSXXRRRTT2221212212212212112max)(2异步电动机工作特性分析异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量（转速、定子电流、电磁转矩、功率因数及机的主要物理量（转速、定子电流、电磁转矩、功率因数及效率等）随输出功率变化的关系曲线。效率等）随输出功率变化的关系曲线。 利用等值电路来计算工作特性。1。 转差率特性转差率特性随着负载功率的增加，电磁随着负载功率的增加，电磁功率增加，功率增加， 转子电

30、流需要增转子电流需要增大，故转差率随输出功率增大，故转差率随输出功率增大而增大。大而增大。转差率sP2空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。二、二、定子电流特性定子电流特性 I1f（P2）)(21IIIm三、电磁转矩特性三、电磁转矩特性 Tf（P2） 转速的变换范围很小，从空转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降载到满载，转速略有下降 异步电动机的输出转矩异步电动机的输出转矩22PT 转矩曲线为一个上翘的曲线。转矩曲线为一个上翘的曲线。电磁转矩电磁转矩T电流电流I1P2电流、电磁转矩特性四、定子功率因数四、定子功率因

31、数 空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；小，功率因数也很低； 随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；率因数逐渐升高； 在额定功率附近，功率因数在额定功率附近，功率因数达到最大值。达到最大值。 如果负载继续增大，则导致如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率频率正比），从而引起功率因数下降。因数下降。P2功率因数功率因数cos 1定子功率因数特性五、效率特性五、效率特性adFecucupppppPP2122其中铜耗随着负载的变化而变化其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变；耗和机械损耗近似不变； 可变损耗等于不变损耗时，电机可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。达到最大效率。 异步电动机额定效率在异步电动机额定效率在74-94%之间；最大效率发